曹 青，張歡歡，吳 奇

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安慶 246003；2.華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院，廣州 510641)

建筑學(xué)在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中，和相關(guān)專(zhuān)業(yè)出現(xiàn)了學(xué)科交叉并產(chǎn)生了新的研究和設(shè)計(jì)方向，而生態(tài)學(xué)、建筑學(xué)、力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的交叉在生態(tài)建筑理論的產(chǎn)生過(guò)程中起到了重要的作用。卡爾·斯坦尼茲的建筑設(shè)計(jì)相關(guān)理論就來(lái)源于這些學(xué)科之間的交叉關(guān)系[1]。建筑理解的實(shí)用主義方法發(fā)展出了多種形式，其中具有代表性的方法為格式塔法，其從整體來(lái)考察和理解，而不是從環(huán)境、結(jié)構(gòu)等單因素角度進(jìn)行研究[2]。建筑生態(tài)系統(tǒng)概念的核心是趨向平衡，而建筑生態(tài)系統(tǒng)從未到達(dá)過(guò)完全的平衡。為此，建筑整體性設(shè)計(jì)框架應(yīng)運(yùn)而生[3-4]，其主要包括以下方面：① 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；② 過(guò)程設(shè)計(jì)；③ 區(qū)位設(shè)計(jì)。然而整體性設(shè)計(jì)框架體系引起設(shè)計(jì)邊界的可變性，弱化了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，破壞了設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)性、交互性。針對(duì)以上問(wèn)題，文中基于卡爾·斯坦尼茲多解框架理論，通過(guò)建筑設(shè)計(jì)元素重構(gòu)，建立可變建筑設(shè)計(jì)模型，并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，以期提高建筑設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。

1 卡爾·斯坦尼茲多解設(shè)計(jì)框架

卡爾·斯坦尼茲在未開(kāi)發(fā)土地區(qū)域的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)中提出了六個(gè)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上形成了后來(lái)的卡爾·斯坦尼茲多解框架理論體系[5-6]。這六個(gè)問(wèn)題描述如下：① 建筑該如何描述；② 建筑是如何運(yùn)作的；③ 建筑運(yùn)作是否良好；④ 建筑該如何改變；⑤ 這些變化將會(huì)產(chǎn)生哪些后果；⑥ 建筑是否要作改變。針對(duì)以上六個(gè)問(wèn)題，建立建筑設(shè)計(jì)模型體系。通過(guò)采集模型所需數(shù)據(jù)，在空間和時(shí)間上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，建立表示模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員之間的共享。對(duì)表示模型進(jìn)行簡(jiǎn)化、校準(zhǔn)和測(cè)試，通過(guò)將表示模型適當(dāng)?shù)剡B接在一起，得出過(guò)程模型。評(píng)估過(guò)程模型過(guò)去和現(xiàn)在的情況，利用模型本身構(gòu)想并傳達(dá)評(píng)估結(jié)果，建立評(píng)估模型。在評(píng)估模型中提出或模擬未來(lái)的動(dòng)態(tài)變化，將它們表現(xiàn)出來(lái)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型，并在可視化的變化過(guò)程中與其他設(shè)計(jì)者交流。通過(guò)過(guò)程模型評(píng)估，建立影響模型，對(duì)影響模型進(jìn)行可視化并傳達(dá)影響結(jié)果，基于動(dòng)態(tài)模型的影響做出決策。一旦設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成了框架問(wèn)題的三個(gè)迭代，就會(huì)有三個(gè)可能的決策結(jié)果:不；可能；或者是。這是卡爾·斯坦尼茲多解框架理論的核心。

當(dāng)建筑環(huán)境的任何一部分發(fā)生大的改變，所有其他的部分都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)性或補(bǔ)償性的改變[7-8]。由于建筑環(huán)境和設(shè)計(jì)要素之間的相互關(guān)系處在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，且建筑設(shè)計(jì)受到城市結(jié)構(gòu)、空間形態(tài)、生態(tài)環(huán)境以及歷史文化保護(hù)等條件約束，因此整體性設(shè)計(jì)框架體系引起設(shè)計(jì)邊界的可變性，進(jìn)而弱化了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為此，通過(guò)調(diào)查區(qū)域建筑視覺(jué)形象及各方面的歷史狀況，結(jié)合區(qū)域訴求的表達(dá)，修正當(dāng)前的建筑設(shè)計(jì)理念。通過(guò)區(qū)域建筑設(shè)計(jì)元素重構(gòu)，建立基于多解框架理論的可變建筑設(shè)計(jì)模型。為使該模型更具擴(kuò)展性和過(guò)程性，文中對(duì)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的環(huán)節(jié)、要素以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)系統(tǒng)性模塊劃分、對(duì)象定義、數(shù)據(jù)歸類(lèi)、設(shè)計(jì)方法嵌入等途徑進(jìn)行最優(yōu)性整體建模。

2 可變建筑設(shè)計(jì)模型構(gòu)建及約束

2.1 模型構(gòu)建

將建筑設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的多層系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行層次劃分，可將最優(yōu)性整體模型分解成預(yù)期模型、參與模型、序列模型、原則模型和中介模型等。

在多解框架理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑設(shè)計(jì)師的信心和經(jīng)驗(yàn)可以為建筑設(shè)計(jì)提供創(chuàng)新性概念，進(jìn)行預(yù)期模型構(gòu)建，如圖1所示。這必須假定設(shè)計(jì)者有足夠的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。將功能需求帶回到現(xiàn)有的條件，通過(guò)演繹邏輯向前推進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)想的設(shè)計(jì)。Ri(i=1,2,…，n)為需求項(xiàng)。

圖1 預(yù)期模型

在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑設(shè)計(jì)的考慮角度、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和領(lǐng)域知識(shí)不盡相同。為充分解決設(shè)計(jì)中的沖突以保證建筑設(shè)計(jì)過(guò)程收斂于客戶(hù)需求，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立參與模型，以便滿(mǎn)足設(shè)計(jì)各階段對(duì)建筑設(shè)計(jì)模型的不同需求，如圖2所示。這一模型將個(gè)人的建筑靜態(tài)設(shè)計(jì)聚合成一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，有效提高了建筑設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，使差錯(cuò)減少，時(shí)效增強(qiáng)。

圖2 參與模型

在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)按一定次序做出系列選擇，將這些選擇系統(tǒng)地表達(dá)到未來(lái)的建筑中，對(duì)這一過(guò)程建模，可得序列模型，如圖3所示。這種模型從目前狀況開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照選擇序列進(jìn)行推理，并使用外展邏輯，因?yàn)樗梢源_定地直接轉(zhuǎn)移到單個(gè)指標(biāo)的需求選項(xiàng)中，根據(jù)選擇序列得到建筑設(shè)計(jì)的最優(yōu)表達(dá)。

圖3 序列模型

基于規(guī)則的建筑設(shè)計(jì)方法，通常被組織成一組計(jì)算機(jī)算法，但它們也可以表示成可人為設(shè)定的思維步驟，對(duì)思維步驟進(jìn)行建模，可得原則模型，如圖4所示。

圖4 原則模型

圖4中不同顏色箭頭代表不同的要求，假設(shè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)有足夠的知識(shí)和信心來(lái)制定一組用于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的正式規(guī)則。這些規(guī)則可以受環(huán)境條件限制，也可以與環(huán)境脆弱度相關(guān)。每個(gè)需求的規(guī)則都按設(shè)計(jì)決策序列進(jìn)行組合。

在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師想法和客戶(hù)意圖的有效協(xié)調(diào)直接關(guān)系到建筑設(shè)計(jì)效率。為減少設(shè)計(jì)師和客戶(hù)的交流障礙，縮短建筑設(shè)計(jì)周期，通過(guò)在設(shè)計(jì)師和客戶(hù)之間引入設(shè)計(jì)中介人，以便協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)師和客戶(hù)的思路想法。設(shè)計(jì)中介人可以是利益相關(guān)者或決策者。對(duì)于每種類(lèi)型的設(shè)計(jì)中介人，通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程建模建立中介模型。將設(shè)計(jì)中介人的數(shù)據(jù)交換發(fā)布規(guī)則嵌入到中介模型中，如圖5所示。圖5中不同顏色箭頭代表不同的要求，不同類(lèi)型的設(shè)計(jì)中介人有著不同的數(shù)據(jù)交換發(fā)布規(guī)則。當(dāng)不同類(lèi)型的設(shè)計(jì)中介人同時(shí)發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)，需根據(jù)設(shè)計(jì)需求順序進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。中介模型提高了客戶(hù)需求和設(shè)計(jì)決策之間的交互效率。

圖5 中介模型

2.2 模型約束

當(dāng)設(shè)計(jì)目標(biāo)或需求的相對(duì)重要性接近齊普夫定律時(shí)，約束方法是有用的，因此可建立設(shè)計(jì)模型的約束，如圖6所示。由于每一需求存在多個(gè)選項(xiàng)，決策模型不確定且數(shù)據(jù)符合齊普夫分布，因此對(duì)齊普夫概率質(zhì)量函數(shù)的連續(xù)性關(guān)系進(jìn)行分析，尋求可變參數(shù)下的序列模型和組合模型。

圖6 模型的約束

3 模型優(yōu)化及組合

建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法要求客戶(hù)和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)事先了解每個(gè)期望需求的相對(duì)重要性及其決策標(biāo)準(zhǔn)，基于決策者的文化知識(shí)構(gòu)建優(yōu)化模型，如圖7所示。圖7中不同顏色線(xiàn)條代表不同的要求，優(yōu)化模型反映了決策目標(biāo)、設(shè)計(jì)決策價(jià)值以及決策者對(duì)這些目標(biāo)和價(jià)值的相對(duì)重視程度。這種方法需要在單個(gè)度量中識(shí)別和比較這些標(biāo)準(zhǔn)，以便能夠聲明設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。

圖7 優(yōu)化模型

當(dāng)設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建的設(shè)計(jì)決策序列中不能確定適當(dāng)選項(xiàng)時(shí)，需求組合模型有效，建立的需求組合模型如圖8所示。這種策略通常用于研究未來(lái)的備選方案，在少數(shù)幾個(gè)主要目標(biāo)具有類(lèi)似的重要性時(shí)，繼續(xù)處理不太重要的目標(biāo)之前必須解決關(guān)鍵需求的組合。

圖8 需求組合模型

在組合模型設(shè)計(jì)方法中，幾種不同的建筑設(shè)計(jì)模型全部或部分地結(jié)合在一起，建立組合模型，如圖9所示。圖9中不同顏色線(xiàn)條代表不同的要求，組合模型的結(jié)合途徑幾乎是無(wú)限的。組合模型可以為新建筑提供概念設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能使用序列模型，并使用中介模型進(jìn)行模擬。通過(guò)持續(xù)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估和更新，實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化。

圖9 組合模型

基于卡爾·斯坦尼茲建筑設(shè)計(jì)理論建立一種可變化的設(shè)計(jì)模型，最重要的考慮因素是設(shè)計(jì)中的合作者對(duì)決策模型及其相關(guān)假設(shè)和要求的確定或不確定程度。對(duì)于預(yù)期模型、參與模型、序列模型和優(yōu)化模型，假定設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)決策模型及其相關(guān)假設(shè)是確定的；相反，對(duì)于組合和約束模型，假定設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)決策模型及其相關(guān)假設(shè)是不確定的。為此，系統(tǒng)研究假設(shè)和需求之間組件選項(xiàng)是必要的。采用原則模型、優(yōu)化模型和中介模型進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，假定最終設(shè)計(jì)結(jié)果中的不確定性。因此，可變建筑設(shè)計(jì)模型經(jīng)常用于測(cè)試設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)不確定性參數(shù)的敏感性或者用于多變量建筑設(shè)計(jì)中。

4 結(jié) 論

文中通過(guò)區(qū)域建筑視覺(jué)形象及歷史狀況調(diào)查，結(jié)合區(qū)域訴求表達(dá)，通過(guò)建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、要素及數(shù)據(jù)的建模，對(duì)建筑設(shè)計(jì)元素進(jìn)行重構(gòu)，得到結(jié)論為

1) 文中提出了基于卡爾·斯坦尼茲多解框架理論的可變建筑設(shè)計(jì)模型。該模型有效提高了建筑設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)差錯(cuò)減少，設(shè)計(jì)時(shí)效增強(qiáng)。

2) 可變建筑設(shè)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)師想法和客戶(hù)意圖的有效協(xié)調(diào)，減少了設(shè)計(jì)師和客戶(hù)的交流障礙，該模型經(jīng)常用于測(cè)試設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)不確定性參數(shù)的敏感性。